Comparative optimization of traditional and ultrasound-assisted extraction methods for phenolic compounds from Sorbus domestica leaves: antioxidant and antidiabetic properties

Abstract

Context— Phenolic compounds from plant sources are widely recognized for their antioxidant and antidiabetic properties and are increasingly investigated for functional food and nutraceutical applications due to their potential role in the prevention of oxidative stress–related metabolic disorders. In recent years, increasing attention has been directed toward plant leaves as alternative and sustainable sources of bioactive compounds. Leaves of Sorbus domestica L. (service tree) represent an underutilized plant material with considerable potential bioactive value; however, information on efficient extraction strategies and functional characterization of their phenolic compounds remains limited. In particular, comparative evaluations focusing on both extraction efficiency and biological activity are still insufficient. Therefore, systematic comparisons of traditional extraction and ultrasound-assisted extraction methods are required to better understand their effectiveness in recovering phenolic compounds from S. domestica leaves. Objective— The aim of this study was to compare traditional extraction (TDE) and ultrasound-assisted extraction (UAE) methods for the extraction of phenolic compounds from S. domestica leaves. For each method, extraction conditions were optimized, and the resulting extracts were evaluated in terms of phenolic content (TPC and TFL), antioxidant activity, and antidiabetic potential. Method— S. domestica L. leaves were used as the plant material in this study. Phenolic compounds were extracted using traditional extraction and UAE methods, with extraction temperature, ethanol concentration, and extraction time selected as independent variables. An experimental design approach was employed to optimize the extraction conditions for both techniques. Total phenolic content (TPC) and total flavonoid content (TFL) were quantified using spectrophotometric methods. Antioxidant activities of the extracts were evaluated using ABTS, FRAP, and DPPH assays, which are commonly applied to assess different antioxidant mechanisms. In addition, the antidiabetic potential of the extracts was assessed through α-amylase and α-glucosidase inhibition tests. Results— The optimal conditions for TDE were 49.63% ethanol, 70.0 ⁰C, and 66.32 min, whereas UAE achieved optimal performance at 53.43% ethanol, 69.04 ⁰C, and 85.38 min. Under optimized conditions, UAE produced 94.38 mg GAE g-1 TPC and 89.13 mg QE g-1 TFL, whereas TDE yielded 73.21 mg GAE g-1 and 68.77 mg QE g-1, respectively. This corresponds to approximately 29% higher TPC and 30% higher TFL in UAE compared to TDE, clearly demonstrating the superior extraction efficiency of the ultrasonic method. Antioxidant activities were also enhanced under UAE conditions. For example, UAE improved α-amylase inhibition by approximately 33% (IC50 reduced from 50.29 to 33.86 mg mL-1) and α-glucosidase inhibition by approximately 12% compared to TDE, indicating stronger enzyme inhibitory potential. The lower IC50 values observed under UAE conditions suggest improved biological functionality of the extracted phenolics, which is particularly relevant for modulating postprandial hyperglycemia. Conclusion— S. domestica leaves are a rich source of phenolic compounds with considerable antioxidant and antidiabetic potential. The quantitative improvements achieved by UAE indicate that extraction strategy significantly influences both yield and bioactivity. These findings highlight the potential application of UAE-derived S. domestica leaf extracts as functional ingredients in nutraceutical formulations, functional beverages, and glucose-regulating food systems.

Keywords

• Service tree leaf
• ; phenolic compounds
• traditional extraction
• ultrasound-assisted extraction
• antioxidant activity

Üvez (Sorbus domestica) Yapraklarından Fenolik Bileşiklerin Ekstraksiyonunda Geleneksel ve Ultrason Destekli Yöntemlerin Karşılaştırmalı Optimizasyonu: Antioksidan ve Antidiyabetik Özellikleri

Öz

Context: Bitkisel kaynaklı fenolik bileşikler, antioksidan ve antidiabetik özellikleri nedeniyle yaygın olarak bilinmekte ve oksidatif stresle ilişkili metabolik bozuklukların önlenmesindeki potansiyel rolleri doğrultusunda fonksiyonel gıda ve nutrasötik uygulamalar için giderek daha fazla araştırılmaktadır. Son yıllarda, bitki yaprakları biyoaktif bileşikler açısından alternatif ve sürdürülebilir kaynaklar olarak artan ilgi görmektedir. Sorbus domestica L. (üvez) yaprakları, önemli bir biyoaktif potansiyele sahip olmasına rağmen yeterince değerlendirilmemiş bir bitkisel materyaldir. Ancak bu yapraklardan fenolik bileşiklerin etkin şekilde ekstraksiyonu ve fonksiyonel özelliklerinin ortaya konulmasına ilişkin bilgiler sınırlıdır. Özellikle, ekstraksiyon verimliliği ile biyolojik aktiviteyi birlikte ele alan karşılaştırmalı çalışmalar yetersizdir. Bu nedenle, S. domestica yapraklarından fenolik bileşiklerin geri kazanımında geleneksel ekstraksiyon ve ultrason destekli ekstraksiyon yöntemlerinin etkinliğinin daha iyi anlaşılabilmesi için sistematik karşılaştırmalara ihtiyaç vardır. Amaç: Bu çalışmanın amacı, Sorbus domestica yapraklarından fenolik bileşiklerin ekstraksiyonunda geleneksel ekstraksiyon (TDE) ve ultrason destekli ekstraksiyon (UAE) yöntemlerini karşılaştırmaktır. Her iki yöntem için ekstraksiyon koşulları optimize edilmiş ve elde edilen ekstraktlar toplam fenolik madde (TPC), toplam flavonoid madde (TFL), antioksidan aktivite ve antidiabetik potansiyel açısından değerlendirilmiştir. Yöntem: Çalışmada Sorbus domestica L. yaprakları bitkisel materyal olarak kullanılmıştır. Fenolik bileşiklerin ekstraksiyonu, geleneksel ekstraksiyon ve UAE yöntemleri ile gerçekleştirilmiş; ekstraksiyon sıcaklığı, etanol konsantrasyonu ve ekstraksiyon süresi bağımsız değişkenler olarak seçilmiştir. Her iki teknik için ekstraksiyon koşullarının optimizasyonunda deneysel tasarım yaklaşımı kullanılmıştır. Toplam fenolik madde (TPC) ve toplam flavonoid madde (TFL) miktarları spektrofotometrik yöntemlerle belirlenmiştir. Ekstraktların antioksidan aktiviteleri, farklı antioksidan mekanizmaları değerlendirmek amacıyla yaygın olarak kullanılan ABTS, FRAP ve DPPH analizleri ile incelenmiştir. Ayrıca, ekstraktların antidiabetik potansiyeli α-amilaz ve α-glukozidaz inhibisyon testleri ile değerlendirilmiştir. Bulgular: TDE için optimum koşullar %49.63 etanol, 70.0 °C ve 66.32 dakika olarak belirlenirken, UAE yöntemi %53.43 etanol, 69.04 °C ve 85.38 dakika koşullarında en yüksek performansı göstermiştir. Optimize koşullar altında UAE yöntemi 94.38 mg GAE g⁻¹ TPC ve 89.13 mg QE g⁻¹ TFL değerleri verirken, TDE yönteminde bu değerler sırasıyla 73.21 mg GAE g⁻¹ ve 68.77 mg QE g⁻¹ olarak belirlenmiştir. Bu sonuçlar, UAE yönteminin TDE’ye göre TPC’de yaklaşık %29 ve TFL’de yaklaşık %30 daha yüksek değer sağladığını ve ultrasonik ekstraksiyonun daha yüksek ekstraksiyon verimliliği sunduğunu göstermektedir. Antioksidan aktivite sonuçları da UAE lehine artış göstermiştir. UAE yöntemi α-amilaz inhibisyonunu yaklaşık %33 oranında artırmış (IC₅₀ değeri 50.29 mg mL⁻¹’den 33.86 mg mL⁻¹’ye düşmüştür) ve α-glukozidaz inhibisyonunda TDE’ye kıyasla yaklaşık %12 oranında iyileşme sağlamıştır. UAE altında elde edilen daha düşük IC₅₀ değerleri, fenolik bileşiklerin biyolojik etkinliğinin arttığını ve özellikle postprandiyal hipergliseminin kontrolü açısından önem taşıdığını göstermektedir. Sonuç: S. domestica yaprakları fenolik bileşikler açısından zengin olup, belirgin antioksidan ve antidiyabetik potansiyele sahiptir. UAE ile elde edilen nicel artışlar, ekstraksiyon yönteminin hem fenolik verim hem de biyolojik aktivite üzerinde belirleyici olduğunu ortaya koymaktadır. Elde edilen bulgular, UAE ile üretilen S. domestica yaprak ekstraktlarının nutrasötik ürünlerde, fonksiyonel içeceklerde ve glukoz düzenleyici gıda formülasyonlarında kullanılabileceğini göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Üvez yaprağı
• fenolik bileşikler
• geleneksel ekstraksiyon
• ultrason destekli ekstraksiyon
• antioksidan aktivite

Kaynakça

1. [1] A. Termentzi, M. Zervou, E. Kokkalou, “Isolation and structure elucidation of novel phenolic constituents from Sorbus domestica fruits”, Food Chemistry, 116(1), (2009), 371–381.
2. [2] D. D. Kavak, B. Akdeniz, “Sorbus umbellata (Desf.) Fritsch var. umbellata leaves: Optimization of extraction conditions and investigation of antimicrobial, cytotoxic and β-glucuronidase inhibitory potential”, Plant Foods for Human Nutrition, 74(3), (2019), 364–369.
3. [3] M. Rutkowska, M. A. Olszewska, J. Kołodziejczyk-Czepas, P. Nowak, A. Owczarek, “Sorbus domestica leaf extracts and their activity markers: Antioxidant potential and synergy effects in scavenging assays of multiple oxidants”, Molecules, 24(12), (2019), 2289.
4. [4] E. Sezik, E. Yeşilada, G. Honda, Y. Takaishi, Y. Takeda, T. Tanaka, “Türkiye’de geleneksel tıp X. Orta Anadolu’da halk hekimliği”, Journal of Ethnopharmacology, 75(2–3), (2001), 95–115.
5. [5] Ş. Kültür, “Medicinal plants used in Kırklareli province (Türkiye)”, Journal of Ethnopharmacology, 111(2), (2007), 341–364.
6. [6] V. H. Cauduro, G. Gohlke, N. W. da Silva, A. G. Cruz, E. M. Flores, “A review on scale-up approaches for ultrasound-assisted extraction of natural products”, Current Opinion in Chemical Engineering, 48, (2025), 101120.
7. [7] A. Termentzi, P. Kefalas, E. Kokkalou, “Antioxidant activities of various extracts and fractions of Sorbus domestica fruits at different maturity stages”, Food Chemistry, 98(4), (2006), 599–608.
8. [8] Ö. Ö. Atasever, R. Gerçekcioğlu, “Tokat ekolojisinden selekte edilen üvez (Sorbus domestica L.) genotiplerinin bazı bitkisel özellikleri”, International Journal of Agricultural and Natural Sciences, 6(2), (2013), 97–101.

9. [9] F. Lüle, T. Koyuncu, “Convective and microwave drying characteristics of Sorbus fruits (Sorbus domestica L.)”, Procedia – Social and Behavioral Sciences, 195, (2015), 2634–2643.
10. [10] T. Kartal, G. Engin, “Üvez (Sorbus domestica L.) meyvesi pomolojik özelliklerinin belirlenmesi”, Lapseki Meslek Yüksekokulu Uygulamalı Araştırmalar Dergisi, 1(1), (2020), 24–30.
11. [11] M. Matczak, A. Marchelak, P. Michel, A. Owczarek, A. Piszczan, J. Kołodziejczyk-Czepas, M. A. Olszewska, “Sorbus domestica L. leaf extracts as functional products: Phytochemical profiling, cellular safety, pro-inflammatory enzymes inhibition and protective effects against oxidative stress in vitro”, Journal of Functional Foods, 40, (2018), 207–218.
12. [12] M. Rutkowska, A. Owczarek, J. Kołodziejczyk-Czepas, P. Michel, D. G. Piotrowska, P. Kapusta, M. A. Olszewska, “Identification of bioactivity markers of Sorbus domestica leaves in chromatographic, spectroscopic and biological capacity tests: Application for quality control”, Phytochemistry Letters, 30, (2019), 278–287.
13. [13] N. Szpisják-Gulyás, A. N. Al-Tayawi, Z. H. Horváth, Z. László, S. Kertész, C. Hodúr, “Methods for experimental design, central composite design and the Box–Behnken design, to optimise operational parameters: A review”, Acta Alimentaria, 52(4), (2023), 521–537.
14. [14] N. Akomeng, S. Adusei, “Organic solvent extraction and spectrophotometric quantification of total phenolic content of soil”, Heliyon, 7(11), (2021), e08388.
15. [15] S. Topuz, M. Bayram, “Oleuropein extraction from leaves of three olive varieties (Olea europaea L.): Antioxidant and antimicrobial properties of purified oleuropein and oleuropein extracts”, Journal of Food Processing and Preservation, 46, (2022), e15697.
16. [16] A. A. Gaafar, Z. A. Salama, “Phenolic compounds from artichoke (Cynara scolymus L.) by-products and their antimicrobial activities”, Journal of Biology, Agriculture and Healthcare, 3(12), (2013), 2224–3208.
17. [17] R. Re, N. Pellegrini, A. Proteggente, A. Pannala, M. Yang, C. Rice-Evans, “Antioxidant activity applying an improved ABTS radical cation decolorization assay”, Free Radical Biology and Medicine, 26(9–10), (1999), 1231–1237.
18. [18] F. Blasi, E. Urbani, M. S. Simonetti, C. Chiesi, L. Cossignani, “Seasonal variations in antioxidant compounds of Olea europaea leaves collected from different Italian cultivars”, Journal of Applied Botany and Food Quality, 89, (2016), 202–207.
19. [19] I. F. Benzie, J. J. Strain, “The ferric reducing ability of plasma (FRAP) as a measure of antioxidant power: The FRAP assay”, Analytical Biochemistry, 239(1), (1996), 70–76.
20. [20] S. Topuz Türker, M. Bayram, “Phenolic compound profile, antioxidant capacity, and physicochemical characteristics of commercial hawthorn vinegars”, Akademik Gıda, 23(4), (2025), 274–283.
21. [21] Y. M. Kim, Y. K. Jeong, V. W. Wang, Y. Lee, H. I. Rhee, “Inhibitory effect of pine extract on α-glucosidase activity and postprandial hyperglycemia”, Nutrition, 21, (2005), 756–761, 2005.
22. [22] M. A. Temiz, “Sisymbrium altissimum yapraklarının fenolik bileşen, antioksidan kapasite ve antidiyabetik özelliklerinin tespiti”, Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 12(1), (2022), 68–77.
23. [23] A. L. İnanç, D. Yüksel, “Ihlamur bitkisinin (Tilia cordata) katı-sıvı ekstraksiyonunda toplam fenolik madde kinetiğinin matematiksel modellenmesi”, Harran Tarım ve Gıda Bilimleri Dergisi, 22(1), (2018), 12–20.
24. [24] M. R. Lauro, P. Picerno, S. Franceschelli, M. Pecoraro, R. P. Aquino, R. Pignatello, “Eudraguard® Natural and Protect: New food-grade matrices for the delivery of an extract from Sorbus domestica L. leaves active on the α-glucosidase enzyme”, Pharmaceutics, 15(1), (2023), 295.
25. [25] O. V. Liashenko, “Phenolic compounds and antimicrobial activity of leaves of the genus Sorbus species and natural hybrids”, Ecology and Noospherology, 34(2), (2023), 117–122.
26. [26] Y. V. Lykholat, O. V. Liashenko, N. O. Khromykh, “Phytochemical study of leaves and inflorescences of two genus Sorbus L. species native to the Ukrainian flora”, Ecology and Noospherology, 34(1), (2023), 19–22.
27. [27] M. Rutkowska, E. Balcerczak, R. Świechowski, M. Dubicka, M. A. Olszewska, “Seasonal variation in phenylpropanoid biosynthesis and in vitro antioxidant activity of Sorbus domestica leaves: Harvesting time optimisation for medicinal application”, Industrial Crops and Products, 156, (2020), 112858.
28. [28] A. Tahirovic, E. Mehic, N. Kjosevski, N. Basic, “Phenolics content and antioxidant activity of three Sorbus species”, Glasnik Hemičarai Tehnologa Bosne i Hercegovine, 53, (2019), 15–21.
29. [29] M. Lavanya, K. Selvam, P. Prakash, M. S. Shivaswamy, “Antioxidant, antimicrobial, α-amylase and α-glucosidase inhibitory activities of methanolic leaf extract of Breynia vitis-idaea using in vitro and in silico techniques”, Process Biochemistry, 136, (2024), 156–168.
30. [30] A. B. Legesse, S. A. Emire, M. G. Tadesse, D. W. Dadi, S. K. Kassa, T. M. Oyinloye, W. B. Yoon, “Optimization of ultrasound-assisted extraction of Verbascum sinaiticum leaves: Maximal phenolic yield and antioxidant capacity”, Foods, 13, (2024), 1255.
31. [31] K. Bati, P. B. Baeti, N. A. Kgakatsi, R. R. Majinda, G. Gaobotse, T. E. Kwape, “Phytochemical screening, antioxidant and cytotoxic activities of sequentially extracted Euclea natalensis leaf extracts”, Scientific African, 25, (2024), e02315.
32. [32] S. Sip, A. Sip, P. Szulc, M. Selwet, M. Żarowski, B. Czerny, J. Cielecka-Piontek, “Exploring beneficial properties of Haskap berry leaf compounds for gut health enhancement”, Antioxidants, 13(3), (2024), 357.
33. [33] Y. Camadan, H. Akyıldırım Beğen, Ş. Ceylan, A. Saral, Ö. Eminağaoğlu, “Investigating in vitro antioxidant and antimicrobial activity of different Sorbus species in Artvin province of Türkiye”, Journal of the Institute of Science and Technology, 13(4), (2023), 2818–2828.
34. [34] H. Bouakline, S. Bouknana, M. Merzouki, I. Ziani, A. Challioui, M. Bnouham, A. El Bachiri, “The phenolic content of Pistacia lentiscus leaf extract and its antioxidant and antidiabetic properties”, The Scientific World Journal, 2024(1), (2024), 1998870.
35. [35] M. Cvetkova, D. Bandere, L. Lauberte, S. Niedra, R. Teterovska, “Polyphenol content, antiradical properties and α-amylase inhibition activity of Vaccinium myrtillus L. and Vaccinium vitis-idaea L. leaf and aerial parts extracts”, Applied Sciences, 14(12), (2024), 5237.
36. [36] Y. Sun, Q. Cao, Y. Huang, T. Lu, H. Ma, X. Chen, “Mechanistic study on the inhibition of α-amylase and α-glucosidase using the extract of ultrasound-treated coffee leaves”, Journal of the Science of Food and Agriculture, 104(1), (2024), 63–74.
37. [37] Y. Liu, F. Li, T. Fei, X. Lin, L. Wang, Z. Liu, “Natural α-glucosidase inhibitors from Aquilaria sinensis leaf-tea: Targeted bio-affinity screening, identification and inhibition mechanism”, Food Chemistry, 463(2), (2025), 141329.
38. [38] S. Wibowo, S. K. Wardhani, L. Hidayati, N. Wijayanti, K. Matsuo, J. Costa, T. R. Nuringtyas, “Investigation of α-glucosidase and α-amylase inhibition for antidiabetic potential of agarwood (Aquilaria malaccensis) leaves extract”, Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, 58, (2024), 103152.
39. [39] T. J. Bamigboye, O. J. Idowu, O. O. Olujide, V. H. R. Fanie, “Structure-activity-relationship of the polyphenols inhibition of α-amylase and α-glucosidase”, African Journal of Traditional, Complementary and Alternative Medicines, 17(2), (2023), 55–65.
40. [40] E. Di Stefano, T. Oliviero, C. C. Udenigwe, “Functional significance and structure–activity relationship of food-derived α-glucosidase inhibitors”, Current Opinion in Food Science, 20, (2018), 7–12.